Insect olfaction as an information filter for chemo-analytical applications

Die Geruchswahrnehmung von Insekten ist an die spezifischen Anforderungen der Ökosysteme angepasst, in denen sie leben. Von Insekten wahrgenommene Volatile können Informationen über den Ort eines geeigneten Ovipositionsplatzes oder den physiologischen Zustand einer Wirtspflanze geben. Da der Geruchssinn der Insekten sich seit Millionen von Jahren an die Wahrnehmung bestimmter Volatile angepasst hat, können die wahrgenommenen Volatile als Markerstoffe angesehen werden, die zuverlässig einen Ökosystemzustand angeben können. Die Identifikation dieser Markerzustände und die Evaluation ihrer Nützlichkeit für spurenanalytische Anwendungen ist das Ziel dieser Arbeit. Es wurden drei Themen ausgewählt um die Verwendungsmöglichkeit des Insektengeruchssinns für Sensoranwendungen zu überprüfen: Fleischfrische, Todeszeitbestimmung (post mortem Intervall, PMI) und frühzeitige Feuererkennung. Spurenanalytik (GC-MS), Elektrophysiologie (EAG, GC-MS/EAD), Verhaltensversuche und Feldtests wurden angewandt, um die chemoökologische Interaktion der Schmeißfliege Calliphora vicina und der „Feuerkäfer“ Melanophila cuspidata, Merimna atrata and Acanthocnemus nigricans mit ihrer natürlichen Umgebung zu untersuchen. Die Resultate aus diesen Methoden erlaubten die Selektion von Volatilen, die drei Kriteria erfüllen: hohe Quantität, zuverlässige Emission und die ausschliessliche Emission von der untersuchten und keiner anderen Quelle. Diese drei Auswahlkriterien wurden aufgestellt um zu gewährleisten, dass die ausgewählten Markervolatile nicht nur zuverlässig mit dem physiologischen Status der Substrate (Alter von verderbendem Fleisch, PMI, Temperatur von erhitzten Spänen) korrelieren, sondern auch den Ansprüchen technischen Sensorsysteme genügen. Im Falle des alternden Fleisches unter warmen und trockenen Bedingungen ist Nonanal ein Zeiger für die korrekte Reifung des Fleisches zu Schinken. Dimethyl Trisulfid, Phenol und Indol zeigen das Verderben des Fleisches unter warmen und feuchten Bedingungen an. Bei niedrigen Temperaturen sind zunehmende 2,3 Butandiol Emission und abnehmende Nonanal Emission ein Zeiger für zunehmendes Verderben des Fleisches, sowohl unter trockenen als auch feuchten Bedingungen. Allerdings wurde 2,3 Butandiol nicht von C. vicina wahrgenommen, da die Fliege während der Vegetationszeit aktiv ist und unter diesen Bedingungen Dimethyl Trisulfid, Phenol und Indol emittiert werden. Nonanal, Hexanal, Dimethyl Disulfid, Dimethyl Trisulfid, Butan-1-ol und Phenol wurden als nützliche Volatile zur Eingrenzung der Leichenliegezeit ausgewählt. Die genannten Aldehyde sind typisch für die frühen Stadien der Verwesung, gefolgt von Butan-1-ol und den Schwefelsulfiden. Phenol wird hauptsächlich in den späteren Verwesungsstadien emittiert. Allerdings werden Phenol und 1-Butanol nicht von der Fliege wahrgenommen, da diese ein Generalist ist und nicht zwischen dem geblähten und aktivem Stadium der Verwesung unterscheiden muss. Daher wird zusätzlich die Geruchswahrnehmung des Speckkäfers Dermestes maculans betrachtet. Die Untersuchung anderer necrophager Insekten können weitere Einblicke in die Zeitabhängigkeit der Volatilemissionen während der Vertebratenverwesung geben. Die im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse erlauben eine Korrelation zwischen Emissionen und Leichenliegezeit und können eine Grundlage für eine volatilenbasierte post mortem Zeitbestimmung für Polizeikräfte sein. Terpene, aliphatische Aldehyde, Furfural und Methoxyphenole werden von erhitztem Holz emittiert. Komponenten aus all diesen Stoffklassen werden von M. cuspidata und M. atrata wahrgenommen, da diese Käfer den Erhitzungszustand von Baumstämmen nach einem Feuer erkennen können, um einen geeigneten Ovipositionsplatz zu finden. A. nigricans nimmt vor allem Methoxyphenole wahr, wohingegen M. atrata und M. acuminata Furfural zur Orientierung verwenden. Diese Unterschiede komplementieren das bekannte Verhalten dieser Käfer in ihrer natürlichen Umgebung, da A. nigricans auf verkohlten Stämmen, die große Mengen von Methoxyphenolen emittieren, seine Eier ablegt, und M. atrata und M. cuspidata auf Stämmen ihre Eier ablegen, die vom Feuer zwar äußerlich verkohlt, aber innerlich nur erhitzt wurden und daher Furfural emittieren. Halbleitergassensoren, die Furfural mit einer ausreichenden Selektivität vermessen können, können Holzbrände schon während ansteigender Temperatur und damit vor der Entzündung detektieren. Derartige Sensoren können sowohl als neuartige Frühwarnsysteme für die holzverarbeitende Industrie als auch für Waldbrandwarnsysteme oder den Haushalt dienen

Nanotechnology in Animal Science

Recently, a revolution in nanotechnology has pervaded all fields related to animal science. This book collection focuses on the potential applications of nanotechnology in the field of animal science, particularly livestock production and medication. The studies/reviews published in this book show the preparation protocols and physiochemical and biological properties of the innovated nanoparticles, designated for different purposes. This is in line with the potential hazards of these materials. The book collection shows that nanoparticles and nanoparticle-based systems can be developed to serve different purposes in the field of animal production and veterinary, such as the management of reproduction and assisted reproductive techniques, rapid and robust disease diagnosis and treatment, drug delivery, and animal nutrition

Burkholderia as bacterial symbionts of Lagriinae beetles: symbiont transmission, prevalence and ecological significance in Lagria villosa and Lagria hirta (Coleoptera: Tenebrionidae)

Dissertation: Burkholderia as bacterial symbionts of Lagriinae beetles Laura Victoria Flórez Friedrich-Schiller-Universität Jena, Nov. 2016 Symbiosis is ubiquitous in nature and can play a crucial role in shaping the biology of both eukaryotes and prokaryotes. Importantly, the interaction of microorganisms with eukaryotes can range from pathogenicity to mutualism, also shifting along this continuum. The ecological settings facilitating such lifestyle transitions are, however, poorly understood. This dissertation focuses on the symbiosis between Lagriinae beetles and Burkholderia gladioli, a bacterium mostly known for its plant pathogenic traits. In Lagria hirta and Lagria villosa beetles, I localized these bacteria on adults, larvae and eggs of both species confirming a vertical transmission route. The presence of B. gladioli in these and four other Lagriinae species suggested that the association is relatively ancient and evolved within this phytopathogenic bacterial group. Additionally, B. gladioli from L. villosa can successfully infect soybean plants, a food source for this beetle species, and negatively affect the plant’s reproductive output, implying that the insect symbiont conserves the ability to intimately interact with a plant. Presumably, the potential of plant pathogenic B. gladioli bacteria to produce potent bioactive substances was also essential for establishing a mutualism with the insect. In L. villosa beetles, I could show that B. gladioli on the surface of eggs inhibit the growth of antagonistic fungi. I thereby demonstrate a symbiont-mediated defense, which could be highly advantageous at the nutrient-rich and immobile egg stage. Furthermore, we elucidated four compounds (toxoflavin, caryoynencin, lagriene and lagriamide) that could be responsible for the protective effect by the symbionts. Finally, multiple symbiotic B. gladioli strains were found coexisting in individual beetles, bringing about interesting questions regarding the potential advantages of strain diversity in defensive symbiosis and the evolutionary dynamics supporting their long-term maintenance

Mathematical model of interactions immune system with Micobacterium tuberculosis

Tuberculosis (TB) remains a public health problem in the world, because of the increasing prevalence and treatment outcomes are less satisfactory. About 3 million people die each year and an estimated one third of the world's population infected with Mycobacterium Tuberculosis (M.tb) is latent. This is apparently related to incomplete understanding of the immune system in infection M.tb. When this has been known that immune responses that play a role in controlling the development of M.tb is Macrophages, T Lymphocytes and Cytokines as mediators. However, how the interaction between the two populations and a variety of cytokines in suppressing the growth of Mycobacterium tuberculosis germ is still unclear. To be able to better understand the dynamics of infection with M tuberculosis host immune response is required of a model.One interesting study on the interaction of the immune system with M.tb mulalui mathematical model approach. Mathematical model is a good tool in understanding the dynamic behavior of a system. With the mediation of mathematical models are expected to know what variables are most responsible for suppressing the growth of Mycobacterium tuberculosis germ that can be a more appropriate approach to treatment and prevention target is to develop a vaccine. This research aims to create dynamic models of interaction between macrophages (Macrophages resting, macrophages activated and macrophages infected), T lymphocytes (CD4 + T cells and T cells CD8 +) and cytokine (IL-2, IL-4, IL-10,IL-12,IFN-dan TNF-) on TB infection in the lung. To see the changes in each variable used parameter values derived from experimental literature. With the understanding that the variable most responsible for defense against Mycobacterium tuberculosis germs, it can be used as the basis for the development of a vaccine or drug delivery targeted so hopefully will improve the management of patients with tuberculosis. Mathematical models used in building Ordinary Differential Equations (ODE) in the form of differential equation systems Non-linear first order, the equation contains the functions used in biological systems such as the Hill function, Monod function, Menten- Kinetic Function. To validate the system used 4th order Runge Kutta method with the help of software in making the program Matlab or Maple to view the behavior and the quantity of cells of each population

Drug Discovery

Natural products are a constant source of potentially active compounds for the treatment of various disorders. The Middle East and tropical regions are believed to have the richest supplies of natural products in the world. Plant derived secondary metabolites have been used by humans to treat acute infections, health disorders and chronic illness for tens of thousands of years. Only during the last 100 years have natural products been largely replaced by synthetic drugs. Estimates of 200 000 natural products in plant species have been revised upward as mass spectrometry techniques have developed. For developing countries the identification and use of endogenous medicinal plants as cures against cancers has become attractive. Books on drug discovery will play vital role in the new era of disease treatment using natural products